JPH0750133A - マイクロ真空管 - Google Patents
マイクロ真空管Info
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- JPH0750133A JPH0750133A JP19378293A JP19378293A JPH0750133A JP H0750133 A JPH0750133 A JP H0750133A JP 19378293 A JP19378293 A JP 19378293A JP 19378293 A JP19378293 A JP 19378293A JP H0750133 A JPH0750133 A JP H0750133A
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- vacuum tube
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Abstract
(57)【要約】 （修正有）
【目的】 冷陰極型電子放出機構を用い、電子倍増を行
なわせて、大容量化が可能のスイッチ素子として好適な
マイクロ真空管を提供する。 【構成】 マイクロ真空管１０は、シリコン基板１１上
に形成されたシリコン酸化膜１２と、これに形成された
凹部１２ａと、シリコン酸化膜上で凹部の一方に張り出
て櫛歯状の先端部１３ａを多数有する冷陰極１３と、凹
部上の冷陰極側に設けた短冊状のゲート電極１４と、シ
リコン酸化膜上で凹部の他方に張り出て冷陰極に対峙す
る第１のダイノード１５と、下面に凹部１６ａを有し真
空空間１７を形成する封止部材１６を有する。第１のダ
イノードは冷陰極からの１次電子が４５°程度の入射角
で入射するよう斜向配置し、その後段には同様の斜向配
置でカスケード結合した第２〜第５のダイノード１８〜
２１を設ける。第５のダイノード２１の後段には集電極
２２を設ける。
なわせて、大容量化が可能のスイッチ素子として好適な
マイクロ真空管を提供する。 【構成】 マイクロ真空管１０は、シリコン基板１１上
に形成されたシリコン酸化膜１２と、これに形成された
凹部１２ａと、シリコン酸化膜上で凹部の一方に張り出
て櫛歯状の先端部１３ａを多数有する冷陰極１３と、凹
部上の冷陰極側に設けた短冊状のゲート電極１４と、シ
リコン酸化膜上で凹部の他方に張り出て冷陰極に対峙す
る第１のダイノード１５と、下面に凹部１６ａを有し真
空空間１７を形成する封止部材１６を有する。第１のダ
イノードは冷陰極からの１次電子が４５°程度の入射角
で入射するよう斜向配置し、その後段には同様の斜向配
置でカスケード結合した第２〜第５のダイノード１８〜
２１を設ける。第５のダイノード２１の後段には集電極
２２を設ける。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、電界効果型電子放出機
構を用いたマイクロ真空管に関し、特に、放出された電
子を基に電子を倍増する電子倍増機構を具備するマイク
ロ真空管に関する。
構を用いたマイクロ真空管に関し、特に、放出された電
子を基に電子を倍増する電子倍増機構を具備するマイク
ロ真空管に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、真空管の電子放出源としては熱陰
極が用いられているが、陰極を予備加熱する必要がある
ため、エネルギー消費が大きく、また加熱部等の存在に
より半導体集積化ないし微小化に不向きな電子放出機構
になっている。このような問題を解決するため、昨今、
冷陰極型の電子放出素子が注目されてきており、幾つか
の提案がなされている。その中で、特開平３−２６１０
４０号に見られるように、局部的に高電界を発生させて
電界放出を行なわせる電界効果型の電子放出素子（マイ
クロ真空管）がある。
極が用いられているが、陰極を予備加熱する必要がある
ため、エネルギー消費が大きく、また加熱部等の存在に
より半導体集積化ないし微小化に不向きな電子放出機構
になっている。このような問題を解決するため、昨今、
冷陰極型の電子放出素子が注目されてきており、幾つか
の提案がなされている。その中で、特開平３−２６１０
４０号に見られるように、局部的に高電界を発生させて
電界放出を行なわせる電界効果型の電子放出素子（マイ
クロ真空管）がある。
【０００３】図５は従来の電界効果型電子放出素子の一
例を示す概略的部分断面図であり、図６（Ａ）〜（Ｄ）
はその製造方法を説明するための概略的工程断面図であ
る。
例を示す概略的部分断面図であり、図６（Ａ）〜（Ｄ）
はその製造方法を説明するための概略的工程断面図であ
る。
【０００４】この電子放出素子は、図５に示すように、
Ｓｉ等の半導体基板１の上に形成されたＭｏ等からなる
円錐形状の冷陰極２と、半導体基板１の上に形成された
絶縁膜（シリコン酸化膜）３のうち冷陰極２の周りに設
けられた開口部４と、絶縁膜３上に形成され開口部４へ
庇状に張り出したＭｏ等の制御電極５とを有している。
図示しない封止部材によって冷陰極２及び制御電極５は
真空雰囲気下におかれている。冷陰極２及び制御電極５
は電子放出部を構成しており、制御電極５に印加される
正電位によって冷陰極２の尖端に電界集中による強電界
が惹起されるため、冷陰極２の界面ではその仕事関数と
の合成ポテンシャルの幅が細り、ショットキー効果によ
る量子力学的トンネリングで冷陰極２から電子が電界放
出されることになる。この円錐形状の冷陰極２を備えた
電界効果型の電子放出素子は次のようにして製造され
る。
Ｓｉ等の半導体基板１の上に形成されたＭｏ等からなる
円錐形状の冷陰極２と、半導体基板１の上に形成された
絶縁膜（シリコン酸化膜）３のうち冷陰極２の周りに設
けられた開口部４と、絶縁膜３上に形成され開口部４へ
庇状に張り出したＭｏ等の制御電極５とを有している。
図示しない封止部材によって冷陰極２及び制御電極５は
真空雰囲気下におかれている。冷陰極２及び制御電極５
は電子放出部を構成しており、制御電極５に印加される
正電位によって冷陰極２の尖端に電界集中による強電界
が惹起されるため、冷陰極２の界面ではその仕事関数と
の合成ポテンシャルの幅が細り、ショットキー効果によ
る量子力学的トンネリングで冷陰極２から電子が電界放
出されることになる。この円錐形状の冷陰極２を備えた
電界効果型の電子放出素子は次のようにして製造され
る。
【０００５】まず、図６（Ａ）に示すように、Ｓｉ等の
半導体基板１の上にシリコン酸化膜の絶縁膜３を形成し
てから、その絶縁膜３の上にＭｏ層を形成した後、その
Ｍｏ層のパターニングを行い制御電極５を形成する。そ
して選択的にエッチングして開口部４を形成する。次
に、図６（Ｂ）に示すように、回転軸Ｘを中心として基
板１を回転させながら、一定の角度θだけ傾斜する端面
になるよう制御電極５上にＡｌを蒸着してＡｌ層６を形
成する。次に、図６（Ｃ）に示すように、基板１に対し
て垂直にＭｏを電子ビーム蒸着等によって蒸着する。こ
の蒸着過程においては、ＭｏはＡｌ層６上及び基板１上
だけでなく、Ａｌ層６の側面にも積層されるので、Ａｌ
層６の開口部の直径はＭｏ層７の堆積に伴って徐々に縮
小していくと共に、基板１上に堆積されるＭｏ層の堆積
面積も縮小していく。このため、基板１上には円錐形状
の制御電極２が形成されることになる。次に、図６
（Ｄ）に示すように、堆積したＭｏ層７及びＡｌ層６を
除去し、円錐形状の冷陰極２とこの尖端に臨む端面の制
御電極５から成る電子放出部を有する電子放出素子が作
成される。
半導体基板１の上にシリコン酸化膜の絶縁膜３を形成し
てから、その絶縁膜３の上にＭｏ層を形成した後、その
Ｍｏ層のパターニングを行い制御電極５を形成する。そ
して選択的にエッチングして開口部４を形成する。次
に、図６（Ｂ）に示すように、回転軸Ｘを中心として基
板１を回転させながら、一定の角度θだけ傾斜する端面
になるよう制御電極５上にＡｌを蒸着してＡｌ層６を形
成する。次に、図６（Ｃ）に示すように、基板１に対し
て垂直にＭｏを電子ビーム蒸着等によって蒸着する。こ
の蒸着過程においては、ＭｏはＡｌ層６上及び基板１上
だけでなく、Ａｌ層６の側面にも積層されるので、Ａｌ
層６の開口部の直径はＭｏ層７の堆積に伴って徐々に縮
小していくと共に、基板１上に堆積されるＭｏ層の堆積
面積も縮小していく。このため、基板１上には円錐形状
の制御電極２が形成されることになる。次に、図６
（Ｄ）に示すように、堆積したＭｏ層７及びＡｌ層６を
除去し、円錐形状の冷陰極２とこの尖端に臨む端面の制
御電極５から成る電子放出部を有する電子放出素子が作
成される。
【０００６】半導体製造プロセスを用いた上記のような
構造の電界効果型の電子放出素子においては、予備加熱
手段が不要であるばかりか、微細化に適した構造であ
る。
構造の電界効果型の電子放出素子においては、予備加熱
手段が不要であるばかりか、微細化に適した構造であ
る。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
マイクロ真空管においては、冷陰極２から引き出せる電
流値は非常に微弱で電流密度が低い。因みに、１チップ
当りの電流は〜１０-5Ａであり、スイッチングデバイス
として用いるには通電電流が少なすぎる。他方、図５に
示すマイクロ真空管においては、円錐形状の冷陰極２を
形成する工程では、蒸着による開口部の自己絞り込みに
より円錐状の冷電極２が形成されるため、円錐面の面精
度や円錐高さ等に大きな製造バラツキが発生し、歩留ま
りの低さにより実用化の障害となっている。
マイクロ真空管においては、冷陰極２から引き出せる電
流値は非常に微弱で電流密度が低い。因みに、１チップ
当りの電流は〜１０-5Ａであり、スイッチングデバイス
として用いるには通電電流が少なすぎる。他方、図５に
示すマイクロ真空管においては、円錐形状の冷陰極２を
形成する工程では、蒸着による開口部の自己絞り込みに
より円錐状の冷電極２が形成されるため、円錐面の面精
度や円錐高さ等に大きな製造バラツキが発生し、歩留ま
りの低さにより実用化の障害となっている。
【０００８】そこで、本出願人は先に特願平５−１６５
２６９を以て「力センサ，温度センサ及び温度・力セン
サ」を開示した。この出願においては、電界効果型の電
子放出素子の冷陰極として半導体基板上の同一平面内に
配向する櫛歯状の先端部を備えるものが示されている。
このような電子放出部の構造を有する素子によれば、通
常のフォトリソグラフィにより冷陰極を形成できるの
で、製造バラツキの低減を図ることができる。
２６９を以て「力センサ，温度センサ及び温度・力セン
サ」を開示した。この出願においては、電界効果型の電
子放出素子の冷陰極として半導体基板上の同一平面内に
配向する櫛歯状の先端部を備えるものが示されている。
このような電子放出部の構造を有する素子によれば、通
常のフォトリソグラフィにより冷陰極を形成できるの
で、製造バラツキの低減を図ることができる。
【０００９】しかしながら、上記のいずれの構造の冷陰
極型電子放出素子においても、電子放出先端部１個当た
りの電流値（放出電流密度）が小さく、大きな電流容量
を必要とするスイッチング・デバイスへの応用には不向
きである。
極型電子放出素子においても、電子放出先端部１個当た
りの電流値（放出電流密度）が小さく、大きな電流容量
を必要とするスイッチング・デバイスへの応用には不向
きである。
【００１０】そこで上記問題点に鑑み、本発明の課題
は、冷陰極型電子放出機構を用いた構造において放出さ
れた電子で電子倍増を行なわせることにより、通電電流
の大容量化が可能のスイッチ素子として好適なマイクロ
真空管を提供することにある。
は、冷陰極型電子放出機構を用いた構造において放出さ
れた電子で電子倍増を行なわせることにより、通電電流
の大容量化が可能のスイッチ素子として好適なマイクロ
真空管を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、冷陰極型電子放出機構と、これから放出
された電子を１次電子として２次電子を放出する２次電
子放出機構を併有する点に特徴がある。
に、本発明は、冷陰極型電子放出機構と、これから放出
された電子を１次電子として２次電子を放出する２次電
子放出機構を併有する点に特徴がある。
【００１２】即ち、本発明の手段は、制御電極の電界に
よって冷陰極からの電子の放出を制御する電界効果型電
子放出部と、放出された電子を真空空間経路を介して捕
獲する集電極とを有するマイクロ真空管において、真空
空間経路の途中で放出された電子を１次電子としてその
衝突により２次電子を放出する２次電子放出面を備えた
第１のダイノードを有することを特徴とする。この第１
のダイノードの後段には第１のダイノードから放出され
た２次電子を１次電子として電子を放出する１又は複数
個のダイノードをカスケード状に配置することが望まし
い。
よって冷陰極からの電子の放出を制御する電界効果型電
子放出部と、放出された電子を真空空間経路を介して捕
獲する集電極とを有するマイクロ真空管において、真空
空間経路の途中で放出された電子を１次電子としてその
衝突により２次電子を放出する２次電子放出面を備えた
第１のダイノードを有することを特徴とする。この第１
のダイノードの後段には第１のダイノードから放出され
た２次電子を１次電子として電子を放出する１又は複数
個のダイノードをカスケード状に配置することが望まし
い。
【００１３】上記の手段を半導体製造プロセスを利用可
能に実現する構造としては、半導体基板上に凹部を有す
る絶縁膜を設け、絶縁膜上で凹部を挟んだ一方側に上記
冷陰極を形成すると共に、凹部上の冷陰極側に制御電極
を形成し、第１のダイノードを絶縁膜上で凹部を挟んだ
他方側に設けた構成を採用できる。かかる場合におい
て、冷陰極の形状としては櫛歯状の先端部を有する形状
とすることが望ましい。
能に実現する構造としては、半導体基板上に凹部を有す
る絶縁膜を設け、絶縁膜上で凹部を挟んだ一方側に上記
冷陰極を形成すると共に、凹部上の冷陰極側に制御電極
を形成し、第１のダイノードを絶縁膜上で凹部を挟んだ
他方側に設けた構成を採用できる。かかる場合におい
て、冷陰極の形状としては櫛歯状の先端部を有する形状
とすることが望ましい。
【００１４】そして、上記ダイノードは、ＭｇＯ，Ａｇ
−Ｍｇ合金，Ｃｕ−Ｂｅ合金，Ｃｓ−Ｓｂ合金及びＣｓ
を含む複合層からなる群のうち少なくとも一つからなる
ことが望ましい。
−Ｍｇ合金，Ｃｕ−Ｂｅ合金，Ｃｓ−Ｓｂ合金及びＣｓ
を含む複合層からなる群のうち少なくとも一つからなる
ことが望ましい。
【００１５】
【作用】本発明の原理は、冷陰極型電子放出機構と、こ
れから放出された電子を１次電子として２次電子を放出
する２次電子放出面を備えた電子倍増機構とから大きな
電流密度（通電電流）を得ようとするものである。本発
明は、従来のマイクロ真空管の基本構成に加えて、電界
効果型電子放出部により放出された電子を真空空間経路
の途中に第１のダイノードを設けたことを特徴としてい
る。冷陰極から電界放出された電子は集電極（陽極）方
向へ加速され、その経路途中の第１のダイノードの２次
電子放出面に衝突する。この２次電子放出面での衝突は
放出面の電子との弾性又は非弾性衝突を意味するので、
１次電子のエネルギー以下のエネルギーを持つ２次電子
が２次電子放出面から放出される。ここで、１次電子に
よる１次電子電流をＩ1 、２次電子による２次電子電流
をＩ2 とすると、２次電子放出比（secondary emission
factor ）δは、次式で与えられる。
れから放出された電子を１次電子として２次電子を放出
する２次電子放出面を備えた電子倍増機構とから大きな
電流密度（通電電流）を得ようとするものである。本発
明は、従来のマイクロ真空管の基本構成に加えて、電界
効果型電子放出部により放出された電子を真空空間経路
の途中に第１のダイノードを設けたことを特徴としてい
る。冷陰極から電界放出された電子は集電極（陽極）方
向へ加速され、その経路途中の第１のダイノードの２次
電子放出面に衝突する。この２次電子放出面での衝突は
放出面の電子との弾性又は非弾性衝突を意味するので、
１次電子のエネルギー以下のエネルギーを持つ２次電子
が２次電子放出面から放出される。ここで、１次電子に
よる１次電子電流をＩ1 、２次電子による２次電子電流
をＩ2 とすると、２次電子放出比（secondary emission
factor ）δは、次式で与えられる。
【００１６】 δ＝Ｉ2 ／Ｉ1 …（１） １次電子の速度が低いと、２次電子放出は起きないが、
ある加速電圧以上ではδ＞１となり、電子が倍増され
る。このように倍増した電子が集電極に流れ込み、大き
な電流値の陽極電流が得られることになる。
ある加速電圧以上ではδ＞１となり、電子が倍増され
る。このように倍増した電子が集電極に流れ込み、大き
な電流値の陽極電流が得られることになる。
【００１７】第１のダイノードの後段に１又は複数個の
ダイノードをカスケード状に配置した構成においては、
２次電子の放出量を指数関数的（ネズミ算的）に増大さ
せることができるので、陽極電流を更に大容量化でき
る。
ダイノードをカスケード状に配置した構成においては、
２次電子の放出量を指数関数的（ネズミ算的）に増大さ
せることができるので、陽極電流を更に大容量化でき
る。
【００１８】上記の手段を１チップ化した構造として
は、半導体基板上に凹部を有する絶縁膜を設け、絶縁膜
上で凹部を挟んだ一方側に上記冷陰極を形成すると共
に、凹部上の冷陰極側に制御電極を形成し、第１のダイ
ノードを絶縁膜上で凹部を挟んだ他方側に設けた構成を
採用できるが、ここで、冷陰極は円錐状に起立させて形
成する必要がなく、膜状の冷陰極の端部に近接した部位
に制御電極を設けた構造であれば良い。通常の半導体製
造プロセスで形成可能であり、微細化及び量産性に資す
る構造を実現できる。なお、冷陰極の先端部を櫛歯状に
形成することも通常のフォトリソグラフィで容易であ
り、また、かかる形状を採用することにより、冷電子の
電流値自体を大きくでき、製造バラツキの低減も図るこ
とができる。
は、半導体基板上に凹部を有する絶縁膜を設け、絶縁膜
上で凹部を挟んだ一方側に上記冷陰極を形成すると共
に、凹部上の冷陰極側に制御電極を形成し、第１のダイ
ノードを絶縁膜上で凹部を挟んだ他方側に設けた構成を
採用できるが、ここで、冷陰極は円錐状に起立させて形
成する必要がなく、膜状の冷陰極の端部に近接した部位
に制御電極を設けた構造であれば良い。通常の半導体製
造プロセスで形成可能であり、微細化及び量産性に資す
る構造を実現できる。なお、冷陰極の先端部を櫛歯状に
形成することも通常のフォトリソグラフィで容易であ
り、また、かかる形状を採用することにより、冷電子の
電流値自体を大きくでき、製造バラツキの低減も図るこ
とができる。
【００１９】上記の２次電子放出比δの最大値δM は大
きく、しかもそれを与える加速電圧が低いことが望まし
い。低電圧で大電流容量を得ることができるからであ
る。このような条件を満足するダイノード材料として
は、ＭｇＯ，Ａｇ−Ｍｇ合金，Ｃｕ−Ｂｅ合金又はＣｓ
−Ｓｂ合金であり、またＣｓを含む複合層の電極構造と
することが望ましい。このような電極材料又は電極構造
によって低い加速電圧で大電流容量を得ることができ
る。
きく、しかもそれを与える加速電圧が低いことが望まし
い。低電圧で大電流容量を得ることができるからであ
る。このような条件を満足するダイノード材料として
は、ＭｇＯ，Ａｇ−Ｍｇ合金，Ｃｕ−Ｂｅ合金又はＣｓ
−Ｓｂ合金であり、またＣｓを含む複合層の電極構造と
することが望ましい。このような電極材料又は電極構造
によって低い加速電圧で大電流容量を得ることができ
る。
【００２０】
【実施例】次に、本発明の実施例に係るマイクロ真空管
を添付図面に基づいて説明する。
を添付図面に基づいて説明する。
【００２１】図１（ａ）は本発明の実施例に係るマイク
ロ真空管の各要素の平面配置を示す概略図で、図１
（ｂ）は図１（ａ）のａ−ａ′線での縦断面図である。
図２は同マイクロ真空管の斜視図である。
ロ真空管の各要素の平面配置を示す概略図で、図１
（ｂ）は図１（ａ）のａ−ａ′線での縦断面図である。
図２は同マイクロ真空管の斜視図である。
【００２２】このマイクロ真空管１０は、シリコン基板
１１上に形成されたシリコン酸化膜（絶縁膜）１２と、
このシリコン酸化膜１２に形成された凹部１２ａと、シ
リコン酸化膜１２上で凹部１２ａの一方に張り出て櫛歯
状の先端部１３ａを多数有するタングステン製冷陰極
（エミッタ電極）１３と、凹部１２ａ上の冷陰極１３側
に設けられた短冊状のニオブ製ゲート電極（制御電極）
１４と、シリコン酸化膜１２上で凹部１２ａの他方に張
り出て冷陰極１３に対峙するＭｇＯの第１のダイノード
（２次電子放出電極）１５と、下面に凹部１６ａを有し
真空空間１７を形成する封止部材（例えば石英）１６を
有している。この第１のダイノード１５は冷陰極１３か
らの１次電子が４５°程度の入射角で入射するよう斜向
配置されており、その後段には同様の斜向配置でカスケ
ード結合されたＭｇＯの第２〜第５のダイノード１８，
１９，２０，２１が設けられている。そして、第５のダ
イノード２１の後段にはタングステン製の集電極（陽
極）２２が設けられている。冷陰極１３の先端部１３ａ
の幅は３μｍ、間隔は６μｍで、ピッチは９μｍであ
り、櫛歯数５０本としてある。図１，図２では櫛歯の一
部だけを示してある。
１１上に形成されたシリコン酸化膜（絶縁膜）１２と、
このシリコン酸化膜１２に形成された凹部１２ａと、シ
リコン酸化膜１２上で凹部１２ａの一方に張り出て櫛歯
状の先端部１３ａを多数有するタングステン製冷陰極
（エミッタ電極）１３と、凹部１２ａ上の冷陰極１３側
に設けられた短冊状のニオブ製ゲート電極（制御電極）
１４と、シリコン酸化膜１２上で凹部１２ａの他方に張
り出て冷陰極１３に対峙するＭｇＯの第１のダイノード
（２次電子放出電極）１５と、下面に凹部１６ａを有し
真空空間１７を形成する封止部材（例えば石英）１６を
有している。この第１のダイノード１５は冷陰極１３か
らの１次電子が４５°程度の入射角で入射するよう斜向
配置されており、その後段には同様の斜向配置でカスケ
ード結合されたＭｇＯの第２〜第５のダイノード１８，
１９，２０，２１が設けられている。そして、第５のダ
イノード２１の後段にはタングステン製の集電極（陽
極）２２が設けられている。冷陰極１３の先端部１３ａ
の幅は３μｍ、間隔は６μｍで、ピッチは９μｍであ
り、櫛歯数５０本としてある。図１，図２では櫛歯の一
部だけを示してある。
【００２３】ゲート電極１４の幅は４μｍである。本例
においては、冷陰極電位０Ｖ、オン状態でのゲート電位
＋１００Ｖ、第１のダイノード電位＋２００Ｖ、第２の
ダイノード電位＋２５０、第３のダイノード電位＋３０
０、第４のダイノード電位＋３５０、第５のダイノード
電位＋４００、集電極の電位＋５００Ｖとしてある。
においては、冷陰極電位０Ｖ、オン状態でのゲート電位
＋１００Ｖ、第１のダイノード電位＋２００Ｖ、第２の
ダイノード電位＋２５０、第３のダイノード電位＋３０
０、第４のダイノード電位＋３５０、第５のダイノード
電位＋４００、集電極の電位＋５００Ｖとしてある。
【００２４】冷陰極１３の櫛歯状の先端部１３ａに対し
てはその直下のゲート電極１４からの電界が加わるた
め、電界効果により先端部１３ａから電子が放出され
る。この放出電子は凹部１２ａの対向端に位置する第１
のダイノード１５の向きへ加速されてこれに衝突する。
第１のダイノード１５の２次電子放出面に１次電子が衝
突すると、１次電子のエネルギー以下のエネルギーを持
つ２次電子が２次電子放出面から放出される。２次電子
の最大エネルギーは弾性衝突の場合で、本例では２００
ｅＶである。ダイノード材料が酸化マグネシウム（Ｍｇ
Ｏ）の場合、加速電圧２００Ｖでは２次電子放出比δは
１以上（７程度）であり、電子数が増幅されている。本
例に２次電子放出機構の増幅段数は５であるから、増幅
度はδ5 に比例する。δは入射電子（１次電子）のエネ
ルギーに比例すると考えると、δ＝ＫＶであるから、 増幅度Ｇ＝（ＫＶ）5 ∝Ｖ5 ∝δ5 …（２） となる。各段の最低加速電圧は５０Ｖであるので、δは
３〜４程度である。従って、増幅度Ｇは２４３〜１０２
４程度になり、２桁〜３桁増大した陽極電流が得られる
ことになる。実測によると、陽極電流は〜１０-2Ａ／ｔ
ｉｐ（２８ｍＡ／ｔｉｐ）となり、従来のマイクロ真空
管の陽極電流に比べて１０００倍の電流値が得られた。
このような大きな電流容量が得られることから、マイク
ロ真空管を十分大きな通電電流を必要とするスイッチン
グ素子に用いることができる。
てはその直下のゲート電極１４からの電界が加わるた
め、電界効果により先端部１３ａから電子が放出され
る。この放出電子は凹部１２ａの対向端に位置する第１
のダイノード１５の向きへ加速されてこれに衝突する。
第１のダイノード１５の２次電子放出面に１次電子が衝
突すると、１次電子のエネルギー以下のエネルギーを持
つ２次電子が２次電子放出面から放出される。２次電子
の最大エネルギーは弾性衝突の場合で、本例では２００
ｅＶである。ダイノード材料が酸化マグネシウム（Ｍｇ
Ｏ）の場合、加速電圧２００Ｖでは２次電子放出比δは
１以上（７程度）であり、電子数が増幅されている。本
例に２次電子放出機構の増幅段数は５であるから、増幅
度はδ5 に比例する。δは入射電子（１次電子）のエネ
ルギーに比例すると考えると、δ＝ＫＶであるから、 増幅度Ｇ＝（ＫＶ）5 ∝Ｖ5 ∝δ5 …（２） となる。各段の最低加速電圧は５０Ｖであるので、δは
３〜４程度である。従って、増幅度Ｇは２４３〜１０２
４程度になり、２桁〜３桁増大した陽極電流が得られる
ことになる。実測によると、陽極電流は〜１０-2Ａ／ｔ
ｉｐ（２８ｍＡ／ｔｉｐ）となり、従来のマイクロ真空
管の陽極電流に比べて１０００倍の電流値が得られた。
このような大きな電流容量が得られることから、マイク
ロ真空管を十分大きな通電電流を必要とするスイッチン
グ素子に用いることができる。
【００２５】各ダイノード１５〜２１では入射角を大き
くするよう斜めに配置されている。
くするよう斜めに配置されている。
【００２６】高エネルギーの１次電子の場合には、入射
角を大きくすると、２次電子放出比δが大きくなるから
である。２次電子のエネルギー分布は低エネルギーの電
子が主流で、非弾性衝突により生じる。この低エネルギ
ーの電子は２次放出面から垂直に出る数が最も多く、放
出面の法線に対する角の余弦に比例した分布を示す。こ
のため、本例においてはダイノードに対する入射角は４
５°程度とし、２次電子の放出が最も多い法線方向に後
段のダイノードを位置させてある。なお、本例における
ダイノードの配列方向は冷陰極１３の中心として放射方
向にあるが、冷陰極１３の周りを巡るような円周方向に
配置させることも可能であり、チップサイズの縮小化を
図ることができる。また、必要な場合、静電レンズを設
けて集束性を電子に付与しても良い。
角を大きくすると、２次電子放出比δが大きくなるから
である。２次電子のエネルギー分布は低エネルギーの電
子が主流で、非弾性衝突により生じる。この低エネルギ
ーの電子は２次放出面から垂直に出る数が最も多く、放
出面の法線に対する角の余弦に比例した分布を示す。こ
のため、本例においてはダイノードに対する入射角は４
５°程度とし、２次電子の放出が最も多い法線方向に後
段のダイノードを位置させてある。なお、本例における
ダイノードの配列方向は冷陰極１３の中心として放射方
向にあるが、冷陰極１３の周りを巡るような円周方向に
配置させることも可能であり、チップサイズの縮小化を
図ることができる。また、必要な場合、静電レンズを設
けて集束性を電子に付与しても良い。
【００２７】なお、ダイノード材料としては、ＭｇＯの
ようなδの大きな材料を用いることが望ましい。酸化物
やアルカリ金属ではδは大きい。Ａｇ−Ｍｇ合金，Ｃｕ
−Ｂｅ合金又はＣｓ−Ｓｂ合金でも良く、またＣｓを含
む複合層の電極構造とすることもできる。
ようなδの大きな材料を用いることが望ましい。酸化物
やアルカリ金属ではδは大きい。Ａｇ−Ｍｇ合金，Ｃｕ
−Ｂｅ合金又はＣｓ−Ｓｂ合金でも良く、またＣｓを含
む複合層の電極構造とすることもできる。
【００２８】次に、上記の構成のマイクロ真空管の製造
方法を説明する。
方法を説明する。
【００２９】まず、図３（Ａ）に示すように、シリコン
基板１１の上に熱酸化膜（熱シリコン酸化膜）１２ｂを
膜厚１μｍで形成してから、その上にＣＶＤ法によりシ
リコン酸化膜１２ｃを膜厚１μｍで堆積する。次に、図
３（Ｂ）に示すように、０．２μｍ厚のタングステンを
スパッタ蒸着してタングステン層３０を形成する。次
に、図３（Ｃ）に示すように、フォトレジスト層３１を
被着してフォトリソグラフィにより一部のタングステン
層３０とＣＶＤのシリコン酸化膜１２ｃに真空経路とな
るべき峡谷状の溝部３２を形成する。このエッチング工
程によってでは溝部３２の端部に櫛歯状のゲート電極１
３と陽極２２が形成される。次に、図３（Ｄ）に示すよ
うに、フォトレジスト層３３を形成してから、溝部３２
のうちゲート電極１４を形成する部分のみを窓開けする
パターンニングを行い、ウェットエッチングによりＣＶ
Ｄのシリコン酸化膜１２ｃを除去して凹部１２ａを形成
する。次に、図４（Ｅ）に示すように、ニオブを電子ビ
ーム法で蒸着して０．５μｍ厚のニオブ層３４を形成し
てから、図４（Ｆ）に示すように、リフトオフ法（アセ
トン中の超音波洗浄）により凹部１２ａ以外のニオブ層
３４及びフォトレジスタ層３３，３１を除去し、凹部１
２ａ上にゲート電極１４を残す。次に、図４（Ｇ）に示
すように、フォトレジスト層３５を形成し、ダイノード
の形成領域のみを窓開けした後、ＭｇＯを電子ビーム法
で蒸着して０．５μｍ厚のＭｇＯ層３６を形成する。次
に、図４（Ｈ）に示すように、リフトオフ法（アセトン
中の超音波洗浄）によりダイノード以外のＭｇＯ層３６
及びフォトレジスト層３５を除去する。これによりダイ
ノード１５〜２１が形成され、図２に示すマイクロ真空
管の基板側の構造体が作成される。
基板１１の上に熱酸化膜（熱シリコン酸化膜）１２ｂを
膜厚１μｍで形成してから、その上にＣＶＤ法によりシ
リコン酸化膜１２ｃを膜厚１μｍで堆積する。次に、図
３（Ｂ）に示すように、０．２μｍ厚のタングステンを
スパッタ蒸着してタングステン層３０を形成する。次
に、図３（Ｃ）に示すように、フォトレジスト層３１を
被着してフォトリソグラフィにより一部のタングステン
層３０とＣＶＤのシリコン酸化膜１２ｃに真空経路とな
るべき峡谷状の溝部３２を形成する。このエッチング工
程によってでは溝部３２の端部に櫛歯状のゲート電極１
３と陽極２２が形成される。次に、図３（Ｄ）に示すよ
うに、フォトレジスト層３３を形成してから、溝部３２
のうちゲート電極１４を形成する部分のみを窓開けする
パターンニングを行い、ウェットエッチングによりＣＶ
Ｄのシリコン酸化膜１２ｃを除去して凹部１２ａを形成
する。次に、図４（Ｅ）に示すように、ニオブを電子ビ
ーム法で蒸着して０．５μｍ厚のニオブ層３４を形成し
てから、図４（Ｆ）に示すように、リフトオフ法（アセ
トン中の超音波洗浄）により凹部１２ａ以外のニオブ層
３４及びフォトレジスタ層３３，３１を除去し、凹部１
２ａ上にゲート電極１４を残す。次に、図４（Ｇ）に示
すように、フォトレジスト層３５を形成し、ダイノード
の形成領域のみを窓開けした後、ＭｇＯを電子ビーム法
で蒸着して０．５μｍ厚のＭｇＯ層３６を形成する。次
に、図４（Ｈ）に示すように、リフトオフ法（アセトン
中の超音波洗浄）によりダイノード以外のＭｇＯ層３６
及びフォトレジスト層３５を除去する。これによりダイ
ノード１５〜２１が形成され、図２に示すマイクロ真空
管の基板側の構造体が作成される。
【００３０】
【発明の効果】以上説明したように、本発明は、冷陰極
型電子放出機構とこれから放出された電子を１次電子と
して２次電子を放出する２次電子放出機構を併有する点
に特徴がある。従って、次の効果を奏する。
型電子放出機構とこれから放出された電子を１次電子と
して２次電子を放出する２次電子放出機構を併有する点
に特徴がある。従って、次の効果を奏する。
【００３１】 冷陰極から放出される電子による電流
は非常に微弱であるが、このような電子を１次電子とし
てダイノードが２次電子を放出するので、集電極に流れ
る電流値（陽極電流値）を大きくすることができる。従
って、本発明のマイクロ真空管をパワースイッチング素
子としても用いることができる。
は非常に微弱であるが、このような電子を１次電子とし
てダイノードが２次電子を放出するので、集電極に流れ
る電流値（陽極電流値）を大きくすることができる。従
って、本発明のマイクロ真空管をパワースイッチング素
子としても用いることができる。
【００３２】 第１のダイノードの後段に１又は複数
個のダイノードをカスケード状に配置した構成において
は、２次電子の放出量を指数関数的（ネズミ算的）に増
大させることができるので、陽極電流を更に大容量化で
きる。
個のダイノードをカスケード状に配置した構成において
は、２次電子の放出量を指数関数的（ネズミ算的）に増
大させることができるので、陽極電流を更に大容量化で
きる。
【００３３】 半導体基板上に凹部を有する絶縁膜を
設け、絶縁膜上で凹部を挟んだ一方側に上記冷陰極を形
成すると共に、凹部上の冷陰極側に制御電極を形成し、
第１のダイノードを絶縁膜上で凹部を挟んだ他方側に設
けた構造においては、冷陰極は円錐状に起立させて形成
する必要がなく、膜状の冷陰極の端部に近接した部位に
制御電極を設けた構造であれば良い。通常の半導体製造
プロセスで形成可能であり、微細化及び量産性に資する
構造を実現できる。
設け、絶縁膜上で凹部を挟んだ一方側に上記冷陰極を形
成すると共に、凹部上の冷陰極側に制御電極を形成し、
第１のダイノードを絶縁膜上で凹部を挟んだ他方側に設
けた構造においては、冷陰極は円錐状に起立させて形成
する必要がなく、膜状の冷陰極の端部に近接した部位に
制御電極を設けた構造であれば良い。通常の半導体製造
プロセスで形成可能であり、微細化及び量産性に資する
構造を実現できる。
【００３４】 冷陰極の先端部を櫛歯状に形成するこ
とも通常のフォトリソグラフィで容易であり、また、か
かる形状を採用することにより、冷電子の電流値自体を
大きくでき、製造バラツキの低減も図ることができる。
とも通常のフォトリソグラフィで容易であり、また、か
かる形状を採用することにより、冷電子の電流値自体を
大きくでき、製造バラツキの低減も図ることができる。
【００３５】 ダイノード材料として、ＭｇＯ，Ａｇ
−Ｍｇ合金，Ｃｕ−Ｂｅ合金又はＣｓ−Ｓｂ合金のいず
れかや、またＣｓを含む複合層の電極構造とする場合に
おいては、２次電子放出比δが大きいので、加速電圧を
低圧化を図ることができる。
−Ｍｇ合金，Ｃｕ−Ｂｅ合金又はＣｓ−Ｓｂ合金のいず
れかや、またＣｓを含む複合層の電極構造とする場合に
おいては、２次電子放出比δが大きいので、加速電圧を
低圧化を図ることができる。
【図１】（ａ）は本発明の実施例に係るマイクロ真空管
の各要素の平面配置を示す概略図で、（ｂ）は（ａ）の
ａ−ａ′線での縦断面図である。
の各要素の平面配置を示す概略図で、（ｂ）は（ａ）の
ａ−ａ′線での縦断面図である。
【図２】同マイクロ真空管の斜視図である。
【図３】（Ａ）〜（Ｄ）は同マイクロ真空管の製造工程
を示す断面図である。
を示す断面図である。
【図４】（Ｅ）〜（Ｈ）は図３（Ｄ）以降の同マイクロ
真空管の製造工程を示す断面図である。
真空管の製造工程を示す断面図である。
【図５】従来の電界効果型の電子放出素子（マイクロ真
空管）の一例を示す概略的部分断面図である。
空管）の一例を示す概略的部分断面図である。
【図６】（Ａ）〜（Ｄ）はその電界効果型の電子放出素
子の製造方法を説明するための概略的工程断面図であ
る。
子の製造方法を説明するための概略的工程断面図であ
る。
１０…マイクロ真空管 １１…シリコン基板 １２…シリコン酸化膜（絶縁膜） １２ａ…凹部 １３…櫛歯状の先端を有する冷陰極 １４…ゲート電極 １５…第１のダイノード １６…封止部材 １６ａ…凹部 １７…真空空間 １８…第２のダイノード １９…第３のダイノード ２０…第４のダイノード ２１…第５のダイノード ２２…集電極（陽極）。
Claims (5)
- 【請求項１】 制御電極の電界によって冷陰極からの電
子の放出を制御する電界効果型電子放出部と、前記放出
された電子を真空空間経路を介して捕獲する集電極とを
有するマイクロ真空管において、前記真空空間経路の途
中で前記電子を１次電子としてその衝突により２次電子
を放出する２次電子放出面を備えた第１のダイノードを
有することを特徴とするマイクロ真空管。 - 【請求項２】 請求項１に記載のマイクロ真空管におい
て、前記第１のダイノードの後段に前記第１のダイノー
ドから放出された２次電子を１次電子として電子を放出
する１又は複数個のダイノードがカスケード状に配置さ
れてなることを特徴とするマイクロ真空管。 - 【請求項３】 請求項１又は請求項２に記載のマイクロ
真空管において、半導体基板上に形成された凹部を有す
る絶縁膜を備え、前記冷陰極は前記絶縁膜上で前記凹部
を挟んだ一方側に形成されており、前記制御電極は前記
凹部上の前記冷陰極側に形成されており、前記第１のダ
イノードは前記絶縁膜上で前記凹部を挟んだ他方側に形
成されてなることを特徴とするマイクロ真空管。 - 【請求項４】 請求項１乃至請求項３のいずれか一項に
記載のマイクロ真空管おいて、前記冷陰極は櫛歯状の先
端部を有してなることを特徴とするマイクロ真空管。 - 【請求項５】 請求項１乃至請求項４のいずれか一項に
記載のマイクロ真空管おいて、前記ダイノードは、Ｍｇ
Ｏ，Ａｇ−Ｍｇ合金，Ｃｕ−Ｂｅ合金，Ｃｓ−Ｓｂ合金
及びＣｓを含む複合層からなる群のうち少なくとも一つ
からなることを特徴とするマイクロ真空管。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP05193782A JP3141635B2 (ja) | 1993-08-05 | 1993-08-05 | マイクロ真空管 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP05193782A JP3141635B2 (ja) | 1993-08-05 | 1993-08-05 | マイクロ真空管 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0750133A true JPH0750133A (ja) | 1995-02-21 |
| JP3141635B2 JP3141635B2 (ja) | 2001-03-05 |
Family
ID=16313718
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP05193782A Expired - Fee Related JP3141635B2 (ja) | 1993-08-05 | 1993-08-05 | マイクロ真空管 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3141635B2 (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7418889B2 (en) | 2003-11-06 | 2008-09-02 | Tsudakoma Kogyo Kabushiki Kaisha | Index table assembly |
| JP2012142267A (ja) * | 2010-12-31 | 2012-07-26 | Qinghua Univ | 電界放出陰極素子及びそれを利用した電界放出表示装置 |
-
1993
- 1993-08-05 JP JP05193782A patent/JP3141635B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7418889B2 (en) | 2003-11-06 | 2008-09-02 | Tsudakoma Kogyo Kabushiki Kaisha | Index table assembly |
| US7942080B2 (en) | 2003-11-06 | 2011-05-17 | Tsudakoma Kogyo Kabushiki Kaisha | Index table assembly |
| JP2012142267A (ja) * | 2010-12-31 | 2012-07-26 | Qinghua Univ | 電界放出陰極素子及びそれを利用した電界放出表示装置 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3141635B2 (ja) | 2001-03-05 |
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